“貓眼”效應(yīng)在激光干擾效果實(shí)時(shí)評(píng)估中的應(yīng)用

陳 琳，何衡湘，萬(wàn) 勇，鄧洪峰

(西南技術(shù)物理研究所，成都 610041)

引 言

光電成像制導(dǎo)導(dǎo)彈已廣泛運(yùn)用于現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)。為了有效防護(hù)重要目標(biāo)，針對(duì)成像制導(dǎo)導(dǎo)彈的激光定向干擾技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。激光定向干擾技術(shù)主要利用相應(yīng)波長(zhǎng)的高功率激光照射對(duì)方來(lái)襲導(dǎo)彈的光電成像系統(tǒng)，干擾、致盲或破壞對(duì)方導(dǎo)引頭，使對(duì)方的光電成像系統(tǒng)暫時(shí)或者永久失效。激光定向干擾技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于反應(yīng)速度快，以光速攻擊對(duì)方；能夠快速轉(zhuǎn)移，以應(yīng)對(duì)多目標(biāo)攻擊；消耗電能，補(bǔ)給簡(jiǎn)便，可重復(fù)使用[1]。

但在激光干擾作戰(zhàn)過(guò)程中，面臨著激光定向干擾效果的評(píng)估問(wèn)題，例如干擾激光發(fā)射之后如何判斷是否命中目標(biāo)，如何判斷干擾是否有效，以及作戰(zhàn)決策中如何確定干擾持續(xù)時(shí)間?，F(xiàn)有的激光干擾效果評(píng)估方法有干擾圖像質(zhì)量評(píng)估[2-3]、制導(dǎo)精度評(píng)估[4-5]、激光干擾距離評(píng)估[6-7]等。這些評(píng)估方法簡(jiǎn)單、高效、可信度高，但并不適用于非合作條件下激光干擾效果實(shí)時(shí)評(píng)估。

分析計(jì)算中，根據(jù)激光的遠(yuǎn)場(chǎng)分布特性，假設(shè)光電成像裝置處的激光入射光束是能量分布均勻的平行光束。

1 “貓眼”效應(yīng)形成原理

大多數(shù)光電設(shè)備中，焦平面上安裝反射元件(如瞄準(zhǔn)叉絲、光電傳感器光敏面、陰極射線管的光電陰極板等)。當(dāng)激光照射到這類(lèi)光學(xué)設(shè)備時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的光返回現(xiàn)象，而且它的光學(xué)返回率要比一般的漫反射高出很多，這種反射現(xiàn)象就是“貓眼”效應(yīng)[8-12]。

1.1 典型光電成像設(shè)備光學(xué)系統(tǒng)

圖1為典型光電成像設(shè)備的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。它由主鏡、次鏡、目鏡、場(chǎng)鏡、調(diào)制盤(pán)、探測(cè)器等組成，其中透鏡組合的作用是將采集到的激光匯聚到探測(cè)器平面[13]。因此，這個(gè)光學(xué)系統(tǒng)可以等效看做由一個(gè)透鏡和一個(gè)探測(cè)器組成[14]。

Fig.1 Structure diagram of photoelectric optical system

1.2 “貓眼”效應(yīng)形成條件

能夠產(chǎn)生“貓眼”效應(yīng)的成像光學(xué)系統(tǒng)，其理想模型可簡(jiǎn)化為如圖2所示的示意圖。它由一塊物鏡和位于物鏡焦平面的反射元件構(gòu)成。當(dāng)一束平行于光軸的光束I入射時(shí)，匯聚在反射平面的焦點(diǎn)E0，根據(jù)鏡面反射的特點(diǎn)沿平行于光軸的光束I1返回；當(dāng)光束以一定角度ω斜入射時(shí)(如圖中I′所示)，經(jīng)過(guò)透鏡匯聚在焦平面的E1點(diǎn)，沿平行于光軸的光束I1′返回[8,11]。

Fig.2 Beam path diagram of “cat-eye” effect

2 影響“貓眼”回波光束強(qiáng)度的主要因素分析

2.1 激光入射角對(duì)“貓眼”回波強(qiáng)度的影響

從圖3可以看出，入射激光經(jīng)探測(cè)器反射之后不能全部返回，一部分激光因傳播方向的原因不能經(jīng)透鏡射出[15]。為探究“貓眼”回波通過(guò)率與激光入射角之間的關(guān)系，假設(shè)“貓眼”光學(xué)系統(tǒng)為理想光學(xué)系統(tǒng)，利用幾何光學(xué)的方法，將“貓眼”光學(xué)系統(tǒng)等效為如圖3所示的4f等效模型[11-12]。其中,通光孔徑為D,匯聚透鏡焦距為f，探測(cè)器直徑為Φ，激光入射角(入射激光光軸與光學(xué)系統(tǒng)光軸的夾角)為ω，出射激光與光軸的夾角為ω′。當(dāng)入射角超過(guò)導(dǎo)引頭的視角時(shí)(即ω>arctan(Φ/2f),arctan(Φ/2f)為導(dǎo)引頭的視角)匯聚點(diǎn)會(huì)落在焦平面探測(cè)器之外，無(wú)法在探測(cè)器平面形成反射，可能不會(huì)產(chǎn)生原路返回的“貓眼”回波。

Fig.3 4f equivalent model of “cat-eye” effect

由于激光在探測(cè)器平面的反射包括鏡面反射和漫反射，假設(shè)探測(cè)器平面的反射率為ρ，反射光束中80%為鏡面反射，20%為漫反射，且光束能量分布均勻。則出射激光占反射激光的比例η(本文中將“貓眼”效應(yīng)過(guò)程中的比值η簡(jiǎn)稱為回波通過(guò)率)為[16]:

在11月的全國(guó)媒體試駕活動(dòng)中，駕駛著銳騏6從順暢平直的高速公路過(guò)渡到顛簸崎嶇的果園，深深感受到其強(qiáng)勁的動(dòng)力輸出。

(1)

圖4為激光入射角與回波通過(guò)率之間的關(guān)系圖。

Fig.4 The relationship between laser incidence angle and echo pass rate

2.2 探測(cè)裝置位置對(duì)“貓眼”回波探測(cè)的影響

“貓眼”回波探測(cè)設(shè)備一般與干擾光源處于同一位置，干擾激光照射導(dǎo)引頭成像設(shè)備，產(chǎn)生并返回“貓眼”光斑，再由回波探測(cè)設(shè)備接收，激光主動(dòng)探測(cè)過(guò)程如圖5所示[9]。如果干擾光源與回波接收設(shè)備相距較遠(yuǎn)，導(dǎo)致探測(cè)設(shè)備接收返回激光束的入射角增大，對(duì)“貓眼”光斑探測(cè)造成影響。

Fig.5 Schematic diagram of active laser detection based on “cat-eye” effect

從圖3的光路圖可以發(fā)現(xiàn)，光束入射角ω與出射角ω′始終相同，“貓眼”回波具有原路返回的特點(diǎn)。設(shè)接收回波探測(cè)設(shè)備到干擾光源的距離為Δl，導(dǎo)引頭到接收探測(cè)組件的距離為l，其中Δl?l，則探測(cè)接收到的“貓眼”回波入射角為φ=Δl/l。若回波探測(cè)組件靠近照射源組件的位置，則回波入射角可以忽略不計(jì)。

2.3 激光發(fā)射功率和干擾距離對(duì)“貓眼”回波強(qiáng)度的影響

假設(shè)發(fā)射激光的平均功率為P，波長(zhǎng)為λ，發(fā)散角為θ，發(fā)射系統(tǒng)的激光透過(guò)率為τs，大氣對(duì)該波長(zhǎng)激光的透過(guò)率為τ，成像導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)的透過(guò)率為τt，通光孔徑為Dt，探測(cè)器平面激光反射率為ρ，返回光的發(fā)散角為θ′，接收“貓眼”光斑的探測(cè)光學(xué)系統(tǒng)透過(guò)率為τr，通光孔徑為Dr，激光入射角為ω,回波入射角為φ。

大氣透過(guò)率τ與衰減系數(shù)μ(λ)以及干擾距離L有關(guān)，關(guān)系如下[17]:

τ=exp[-μ(λ)L]

(2)

由高斯激光的衍射積分法，可得發(fā)射激光經(jīng)大氣傳輸?shù)竭_(dá)成像導(dǎo)引頭標(biāo)探測(cè)器平面的干擾功率為[7,18]:

(3)

經(jīng)導(dǎo)引頭返回的光束也近似滿足高斯激光的特點(diǎn)，因此接收探測(cè)器平面的回波功率為:

(4)

若定義導(dǎo)引頭探測(cè)器平面的功率Ps為干擾功率，回波接收探測(cè)器平面的功率Pr為回波功率。從數(shù)學(xué)表達(dá)式可以看出，回波功率與干擾功率具有很強(qiáng)的相關(guān)性，其比值δ為:

(5)

式中,除變量ω和L外,其它量可視為常量，因此掌握ω,L的變化情況即可掌握Ps,Pr之間的關(guān)系。

3 基于“貓眼”效應(yīng)的激光定向干擾效果評(píng)估仿真分析

圖6為激光定向干擾示意圖。導(dǎo)彈從M點(diǎn)鎖定目標(biāo)T點(diǎn)時(shí)，位于目標(biāo)周?chē)母蓴_基站S點(diǎn)，發(fā)射激光干擾成像制導(dǎo)導(dǎo)彈導(dǎo)引頭。在不同位置，干擾基站發(fā)射激光照射導(dǎo)彈，干擾距離和激光入射角不同，激光干擾功率和返回的“貓眼”回波功率也不相同。

Fig.6 Schematic diagram of laser jamming

以目標(biāo)T點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立平面坐標(biāo)系，發(fā)射點(diǎn)的坐標(biāo)為(-5061，-560)，干擾基站在坐標(biāo)平面內(nèi)選取。仿真中，以反坦克導(dǎo)彈為例，導(dǎo)彈以200m/s的速率逼近目標(biāo)，在距離目標(biāo)5km時(shí)，發(fā)現(xiàn)并瞄準(zhǔn)目標(biāo)T點(diǎn)。此時(shí)，干擾基站S點(diǎn)以恒定功率50W持續(xù)照射成像導(dǎo)引頭，并采集產(chǎn)生的“貓眼”光斑。

圖7為干擾基站分別擺放在目標(biāo)坐標(biāo)系的x軸、y軸、x-y對(duì)角線上，干擾距離L、激光入射角ω、回波通過(guò)率η、干擾功率Ps和回波功率Pr隨時(shí)間的變化關(guān)系圖。圖中坐標(biāo)軸S-T表示干擾基站到目標(biāo)的距離變化。

圖7中第1行為干擾距離變化圖，干擾距離隨時(shí)間減小，干擾基站位置變化對(duì)其影響不大；第2行為入射角變化圖，當(dāng)干擾距離較遠(yuǎn)時(shí)，干擾位置對(duì)入射角的影響不大，但隨著干擾距離的減小，干擾基站離目標(biāo)越遠(yuǎn)，激光入射角增加越快；第3行為回波通過(guò)率變化圖，受激光入射角的影響，入射角越小回波通過(guò)率越高；第4行和第5行分別為干擾功率和回波功率變化圖。干擾距離較遠(yuǎn)時(shí)，干擾功率和回波功率很小，且干擾位置對(duì)其影響不大。隨著干擾距離的減小，干擾功率和回波功率呈幾何倍數(shù)增加，越靠近目標(biāo)的干擾基站，增加速度越快。

干擾基站在不同軸線上時(shí)，干擾效果相差不大，即干擾基站相對(duì)于目標(biāo)的方向選擇，對(duì)干擾效果和回波探測(cè)影響不大。但干擾基站到目標(biāo)的距離超過(guò)50m時(shí)，激光入射角和貓眼回波通過(guò)率發(fā)生顯著變化，干擾持續(xù)時(shí)間和回波持續(xù)時(shí)間迅速減少。

Fig.7 The comparison of interference distance, laser incidence angle, echo pass rate, interference power and echo power at different axes

圖8為第40s時(shí)，均勻分布于坐標(biāo)平面上的干擾基站，干擾功率、回波功率及其比值的等值線?？梢钥闯觯娇拷鴺?biāo)原點(diǎn)功率和比值越高。

從計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，越靠近目標(biāo)T點(diǎn)干擾持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，干擾功率和回波功率越高，回波功率與干擾功率的比值越大，即探測(cè)“貓眼”回波的能力越強(qiáng)。干擾基站S點(diǎn)越靠近目標(biāo)T點(diǎn)時(shí)，利用“貓眼”回波功率和持續(xù)時(shí)間評(píng)估干擾效果的可行性更高。

Fig.8 The contour diagram of interference power, echo power and power ratio

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)中采用近紅外激光器照射成像導(dǎo)引頭，采集在不同發(fā)射功率和不同入射角，獲取導(dǎo)引頭干擾圖像和“貓眼”回波圖像。

圖9為激光器輸出功率逐步增強(qiáng)時(shí)，8個(gè)不同輸出功率(分別對(duì)應(yīng)圖9a～圖9h)的激光定向照射導(dǎo)引頭得到的導(dǎo)引頭干擾圖像和相應(yīng)“貓眼”回波圖像。隨著發(fā)射功率的增大，干擾效果增強(qiáng)，“貓眼”回波光斑亮度增大。

Fig.9 The jamming images and “cat-eye” images at different jamming power

從圖10可以看出，偏離角度越小，“貓眼”回波光斑辨識(shí)度越高。應(yīng)用到定向干擾效果評(píng)估中，若干擾基站與被保護(hù)目標(biāo)處于同樣位置，且被保護(hù)目標(biāo)處于導(dǎo)引頭視野中心時(shí)，激光瞄準(zhǔn)精度越高，“貓眼”回波光斑亮度增大。

Fig.10 Echo images of “cat-eye” with different incidence angles

仿真分析和實(shí)驗(yàn)表明，基于“貓眼”效應(yīng)的激光主動(dòng)探測(cè)應(yīng)用于激光定向干擾在線效果評(píng)估是可行的。其能力受發(fā)射功率、干擾距離距離、激光入射角的影響很大。入射激光越強(qiáng)，干擾距離越近，激光入射角度越小，“貓眼”回波功率越高光斑辨識(shí)度越高。

5 結(jié) 論

結(jié)合幾何光學(xué)分析了激光入射角度對(duì)“貓眼”回波強(qiáng)度的影響。并根據(jù)HE等人[7]推導(dǎo)的探測(cè)器平面的激光干擾功率，推導(dǎo)出“貓眼”回波探測(cè)器接收到的回波功率。通過(guò)理論推導(dǎo)分析和實(shí)驗(yàn)，得到了激光發(fā)射功率、干擾距離、激光入射角對(duì)干擾效果與“貓眼”回波影響較大。通過(guò)地面干擾基站在不同位置進(jìn)行的激光定向干擾仿真實(shí)驗(yàn)，得到激光干擾功率與“貓眼”回波功率之間具有極高的相關(guān)性，且當(dāng)干擾基站距離目標(biāo)超過(guò)一定距離時(shí)干擾和回波探測(cè)能力顯著下降。利用這一關(guān)系，在激光定向干擾評(píng)估中，根據(jù)“貓眼”回波強(qiáng)度和比值，即可估算出激光干擾功率的范圍。研究結(jié)果在激光定向干擾系統(tǒng)干擾效果在線評(píng)估中有一定的應(yīng)用前景。